wavefront

DSMC-Neutrals　解析事例 - 希薄電離流れ解析

ウェーブフロント ＞ CAEソリューション ＞ DSMC-Neutrals ＞ 極超音速希薄流における電離反応解析 [日本語] / [English]

DSMC-Neutralsはモンテカルロ直接法（Direct Simulation Monte Carlo Method；DSMC法）を用いた3次元希薄気体解析ソフトウェアです． 非構造メッシュを用いることにより，複雑な形状のシミュレーションが可能です． また，化学反応の計算も可能であり，真空チャンバー内の希薄なガス流れはもちろんのこと， 化学蒸着（Chemical Vapor Deposition；CVD）などの半導体製造における薄膜生成のシミュレーションにも適しています． 本記事を読んで希薄気体解析・ガス流れシミュレーションに少しでも興味をお持ちになりましたら 資料請求や 無料セミナーなど承りますので， いつでもお気軽にお問い合わせください．

極超音速希薄流における電離反応解析Rarefied Ionization Flow Simulation

極超音速で大気圏に再突入する宇宙機の周囲では、強い衝撃波による気体の圧縮・加熱に加えて、解離や電離などの化学反応が発生する。 特に電離によって生成される電子は、宇宙機周辺の電波伝搬に影響を与え、通信ブラックアウトの原因となる。 高高度の希薄領域では Navier-Stokes 方程式などの連続体モデルの適用が難しく、地上の試験設備での再現にも制約がある。 そのため、希薄極超音速流の解析には、気体分子の運動を統計的に扱うDSMC法が広く用いられている。 本事例では DSMC 法を電離反応に拡張し、 極超音速再突入時の電離現象を検証する代表的なベンチマークである RAM-C II を対象として、DSMC-Neutrals による解析を行った。
シミュレーションで得られた電子数密度を [1] に示された飛行実験データと比較し、実験結果との一致度を確認する。



高度80.8km、速度7649m/s、圧力0.9207Pa、流入ガス温度97.1Kの条件を示しています。

▲ シミュレーション条件



化学反応モデルChemical Reaction Model

化学反応モデルには Total Collision Energy (TCE) model を用いて、全衝突エネルギーとアレニウス方程式の定数より反応確率を計算する。
イオンと電子を含む反応式とパラメータは Gupta らのモデル [2] を用いた。



電子質量の人工増幅Artificial Electron Mass Amplification

電離を伴う希薄流れをDSMC法で解析する場合、電子は原子・分子に比べて質量が極めて小さいため、同じ温度条件では非常に高速に運動する。 そのため、実際の電子質量を用いて計算すると電子の運動を追跡するために非常に小さな時間刻みが必要となり、計算コストが大きくなるという問題がある。 この問題に対して、電子の質量を計算上人工的に増加させるモデルが提案されている [3, 4]。 本事例では [4] に用いられた、電子質量を実際の値の1,000倍とする設定を採用した。



シミュレーション結果Results

DSMC-Neutrals によって得られた結果を以下に示す。 解析条件の一部は参照文献と異なる可能性があるものの、プローブ位置における電子数密度を比較した結果、[1] に示された飛行実験の測定値と概ね一致する傾向が得られた。



電子数密度分布のシミュレーション結果と実測値との比較のグラフが示され、実測値とシミュレーション結果は概ね一致しています。

▲ RAM-C II の電子数密度のシミュレーション結果とプローブ位置での測定値との比較



参考文献References

  1. Jones Jr, W. Linwood, and Aubrey E., Cross. No. L-7984 (1972), https://ntrs.nasa.gov/citations/19720011555
  2. Gupta, Roop N., et al., No. L-16634 (1990), https://ntrs.nasa.gov/citations/19900017748
  3. Boyd, Iain D., Physics of Fluids, 19.9 (2007), https://pubs.aip.org/aip/pof/article-abstract/19/9/096102/257303/Modeling-of-associative-ionization-reactions-in
  4. Fang, Ming, et al., Advances in Aerodynamics, 2.1 (2020): 7, https://link.springer.com/article/10.1186/s42774-020-00030-1


お問い合わせはこちら！